細胞分化與基因表達調(diào)控

1、第十四章 細胞分化與基因表達調(diào)控,細胞的重大生命活動：,不同生物具有不同的發(fā)育模式，但都涉及：①細胞增殖②細胞分化③細胞間的相互作用。,細胞分化(cell differentiation) ：受精卵開始的個體發(fā)育過程中細胞之間逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定性差異的過程?；蚪M保持全能性基礎(chǔ)上的基因選擇性表達,細胞分化潛能由全能到多能到單能的受限過程主要標(biāo)志：細胞內(nèi)開始合成新的特異性蛋白質(zhì)關(guān)鍵：細胞選擇性表達合成特異性蛋白質(zhì)，導(dǎo)致形態(tài)、結(jié)構(gòu)

2、和功能各異的細胞,細胞分化是個體行使正常功能的保證。 本質(zhì)：細胞的基因組相同，但表達譜不同；使細胞 能行使不同的功能（分工）； 肌細胞? 收縮作用? 肌動蛋白和肌球蛋白； 成熟的紅細胞? 運輸氧和二氧化碳?血紅蛋白； 表皮細胞?保護作用?角蛋白核心：基因是如何有序表達的？（調(diào)控）。,細胞分裂 細胞分裂 受精卵――――--胎兒――――----成人

3、 細胞分化 細胞分化,受精卵,胎兒,成人,,,增殖,,,增殖,如果只有細胞增殖，沒有細胞分化，就只能形成一細胞團，而不能形成人體。,細胞決定： 在個體發(fā)育過程中，細胞在發(fā)生可識別的分化特征之前已確定了未來的發(fā)育命運只能向特定方向分化的狀態(tài)稱為細胞決定(cell determination)。 細胞決定的物質(zhì)：卵細胞質(zhì) 遺傳穩(wěn)定性 決定制約著細胞分化的方向,證明：胚胎移植實驗,細胞分化：

4、穩(wěn)定性：即在正常生理條件下，細胞的分化狀態(tài)一旦確定，將終生不變，既不能逆轉(zhuǎn)也不能互變。,去分化： 一般情況下已經(jīng)分化為某種特異的、穩(wěn)定類型的細胞不可能逆轉(zhuǎn)到未分化狀態(tài)或者成為其他類型的分化細胞。 某些條件下，分化了的細胞不能維持其分化狀態(tài)，其基因活動模式也可發(fā)生可逆性的變化而重新回到未分化狀態(tài)，這種變化過程稱為去分化。例如： 射線、藥物、毒物... 正常分化的細胞

5、 癌細胞,,,不正常條件,1958年有人用野生胡蘿卜游離的韌皮部細胞進行體外培養(yǎng)的實驗中，觀察到已經(jīng)高度分化的細胞可以重新分裂而回得到胚性細胞狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做去分化或稱脫分化，然后通過再分化形成根莖，最終發(fā)育成完整的新植株。,轉(zhuǎn)分化： 在某些條件下，已經(jīng)分化的細胞由一種分化狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另外一種分化狀態(tài)的過程，稱為轉(zhuǎn)分化。,培養(yǎng)基中缺乏維生素A,,人皮膚基底層細胞?角化細胞 ?,培養(yǎng)基中富含維生素A,

6、粘膜上皮細胞或具有纖毛的上皮細胞,３、細胞分化具有時間性和空間性　單細胞生物：時間性　多細胞生物：時間性＋空間性４、生物體普遍存在分化　胚胎期是重要的細胞分化時期,一、細胞的分化潛能,細胞分化能力的強弱稱為分化潛能。細胞全能性：單個細胞經(jīng)分裂和分化后仍具有發(fā)育成完整個體的能力　受精卵和桑椹胚期的８細胞前的細胞在胚胎發(fā)育過程中，由全能?多能?單能的發(fā)育趨向，是細胞分化的一個普遍規(guī)律,在三胚層形成之后由于細胞所處空間位置和微環(huán)

7、境的差異，細胞的分化潛能受到限制，各胚層細胞只能向發(fā)育為本胚層組織和器官的方向分化，稱為多能(干)細胞(pluripotent cell)。經(jīng)過器官發(fā)生各種組織細胞的命運最終確定只能形成一種細胞呈單能(unipotency)。,多能細胞,全能細胞,單能細胞,,,plant cell --totipotency,始終保持其分化全能性的細胞核 爪蟾卵核移植實驗(經(jīng)典的實驗),,,,,,,,爪蟾受精卵,去細胞核,植入表皮細胞的核,

8、正常幼體,,干細胞：在于個體發(fā)育過程中，具有長期(或無限)自我更新能力，并能分化產(chǎn)生某種(或多種)類型細胞的原始細胞，它們是維持個體生長發(fā)育、組織器官結(jié)構(gòu)和功能的動態(tài)平衡及再生修復(fù)等生命現(xiàn)象的細胞學(xué)基礎(chǔ)。分為：全能干細胞、多能干細胞、單能干細胞。單能干細胞只能分化為一種類型的細胞，也稱為祖細胞，自我更新能力有限。,Fertilized ovum has totipotency,Strachan T, Read A 2003,干細胞的

9、特征：①終生保持未分化或低分化特征；②在機體的中的數(shù)目、位置相對恒定；③具有自我更新能力；④能無限制的分裂增殖；⑤具有多向分化潛能；⑥分裂的慢周期性，絕大多數(shù)處于G0期；⑦可行不對稱分裂。,根據(jù)個體發(fā)育過程中出現(xiàn)的次序，干細胞又可分為胚胎干細胞和成體干細胞。胚胎干細胞（ESC）是從胚胎內(nèi)細胞團或原始生殖細胞篩選分離出的具有多能性或全能性的細胞。ESC的用途主要有：①動物克??；②動物轉(zhuǎn)基因；③組織工程。,胚胎干細胞的應(yīng)用

10、,（1）建立ES細胞系為哺乳動物發(fā)育生物學(xué)研究提供材料或模型。如可利用ES細胞體外研究某些細胞因子等因素對細胞生長和分化的影響，減少內(nèi)源性因素干擾的復(fù)雜性；利用ES細胞的基因突變來研究細胞分化過程中某些基因的功能等。（2）利用ES細胞的發(fā)育多能性及環(huán)境因素對細胞發(fā)育的影響，定向誘導(dǎo)細胞分化為特定的細胞，如肌細胞，神經(jīng)細胞等，為細胞移植提供新細胞來源。,如：將小鼠胚胎發(fā)育２細胞期的一個細胞用針搗毀，另一個仍能發(fā)育為完全正常的小鼠。,受精

11、卵,2細胞期,正常小鼠,,,,,克隆羊“多莉”實驗,二、細胞分化的分子基礎(chǔ),奢侈基因（luxury gene）編碼決定細胞性狀的特異基因，對細胞自身生存無直接影響，是細胞向特殊類型分化的物質(zhì)基礎(chǔ)。如血紅蛋白、肌動蛋白、分泌蛋白等。管家基因(house Keeping gene) 維持細胞生命活動所必需的、各類細胞共有的，對細胞分化只起協(xié)助作用的基因。如膜蛋白、核糖體蛋白、線粒體蛋白等。,一、細胞分化是基因選擇性的表達基因差異表達：

12、細胞分化并不是基因組DNA全部表　　　 達，而是奢侈基因按一定程序，有 選擇地相繼活化表達不同細胞：相同DNA 不同RNA,每個基因的表達都必須：在正確的細胞中；在正確的時間；對正確的信號產(chǎn)生正確的反應(yīng)；產(chǎn)生正確的表達水平。問題：細胞是如何協(xié)調(diào)（coordinate）這一過程的？答案：一個關(guān)鍵的調(diào)控蛋白，可以調(diào)控一系列下游基因，完成細胞分化。

13、,分子雜交實驗證明：細胞分化是基因選擇性表達的結(jié)果分子雜交：DNA-DNA或DNA-RNA單鏈之間的互補序列在一定條件下通過堿基互補配對原則形成雙鏈的現(xiàn)象。,DNA-DNA雜交實驗：不同物種的DNA序列不能雜交，證明DNA有物種特異性；同一物種不同組織的DNA間能雜交，表明DNA無組織特異性。DNA-RNA雜交實驗：同一物種不同組織的DNA-RNA間的雜交不同，證明RNA有組織特異性。從分子水平看基因選擇表達? 特異mRN

14、A轉(zhuǎn)錄 ? 特異蛋白質(zhì)合成?細胞分化,上述實驗證實一個動物體內(nèi)的不同類型細胞所含DNA相同，它們具有相同的基因。在發(fā)育的不同階段和不同類型的組織中發(fā)生差別基因表達，使RNA有所不同，由于編碼特異蛋白的結(jié)構(gòu)基因在不同細胞中被選擇性地激活，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生了不同的mRNA，從不同的mRNA轉(zhuǎn)譯產(chǎn)生的蛋白質(zhì)就是專一的特異性蛋白質(zhì)。特異蛋白質(zhì)在細胞中出現(xiàn)就是細胞表型分化的標(biāo)志。,基因差異表達的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平（一）順式調(diào)控元件　啟動子、增強子

15、、沉默子等（二）反式作用因子（三）活性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異調(diào)控區(qū)（四）ＤＮＡ甲基化（五）同源盒基因,三、細胞分化的特點,1. 時空性細胞分化的實質(zhì)是在細胞質(zhì)（信號系統(tǒng)）和細胞核（基因組）共同作用下，選擇性地表達特定的基因。已分化細胞的胞質(zhì)RNA與核DNA雜交率低于10％。細胞表達的基因分為：管家基因、組織特異性基因或奢侈基因。,2.定向性隨著細胞的分裂和分化，發(fā)育方向逐漸被限定。決定意味著基因活動模式改變。例：哺乳動物桑

16、椹胚的內(nèi)細胞團和外圍細胞，前者形成胚胎、后者形成滋養(yǎng)層。無脊椎動物早期的卵裂球已經(jīng)決定，每個卵裂球只能形成身體的一部分。,3. 穩(wěn)定性動物細胞發(fā)生分化之后，其遺傳表型保持穩(wěn)定，通常是不可逆的。例：果蠅幼蟲的成蟲盤移植到成蟲體內(nèi)不發(fā)生細胞分化，可繼續(xù)增殖或移植。如將其再移植回變態(tài)期幼蟲體內(nèi)則又能按原來已決定的命運分化。,4. 條件可逆性在特定條件下，分化細胞的基因活動模式可發(fā)生可逆的變化，又回到未分化狀態(tài)。例1：植物愈傷組織。

17、例2： 果蠅觸角成蟲盤經(jīng)多次移植后，部分成蟲盤可分化為成體的腿、翅或口器。,5. 普遍性個體一生中都進行著細胞分化。干細胞是細胞更新和組織修復(fù)的基礎(chǔ)。一種組織的成體干細胞傾向于分化成該組織的各種細胞，但特定條件下，可分化成其它組織的功能細胞，稱為轉(zhuǎn)分化或橫向分化。高度分化的細胞不再分裂，對電離輻射敏感性低，而各種干細胞則不然。,四、細胞分化和增殖的關(guān)系,增殖信號和分化信號同時作用于干細胞，表現(xiàn)為邊分化邊增殖（反之亦然）；增殖和分

18、化分別獨立進行，一些干細胞只增殖不分化，另一些同類干細胞進入終末分化；細胞分化與分裂平行進行，干細胞進行不對稱分裂，產(chǎn)生的子細胞一個保持原有干細胞特性，一個則進入終末分化。,五、細胞分化的影響因素,眾多的內(nèi)外因素，形成“網(wǎng)絡(luò)”。（一）卵細胞質(zhì)的作用卵細胞質(zhì)的作用：細胞決定，即決定細胞分化的方向。作用時間：胚胎發(fā)育早期（卵裂期）,1 神經(jīng)細胞質(zhì) 神經(jīng)細胞 2 脊索細胞質(zhì) 脊

19、髓細胞3 外胚層細胞質(zhì) 表皮4 中胚層細胞質(zhì) 肌肉骨5 內(nèi)胚層細胞質(zhì) 腺細胞及消化道上皮,以蛙為例：,3,1,2,5,4,蛙受精卵的細胞質(zhì)是不均質(zhì)的，這種不均質(zhì)性, 對胚胎的早期發(fā)育具有很大影響，在一定程度上決定細胞的早期分化,蛙卵,例如，將蛙受精卵卵裂早期的分裂球分離培養(yǎng)，只是含有灰新月物質(zhì)的分裂球才能正常發(fā)育。,（二）細胞核的作用在細胞分化中，細胞核

20、起著重要或決定性的作用。遺傳物質(zhì)決定性狀，而遺傳物質(zhì)位于細胞核內(nèi)。 從全能細胞 多能細胞 單能細胞，是細胞核內(nèi)基因選擇性表達的結(jié)果。,,,（三）核質(zhì)相互作用細胞核中的基因?qū)毎|(zhì)的代謝起調(diào)節(jié)作用；細胞質(zhì)對核內(nèi)基因的活性有控制作用；因此，核質(zhì)的作用是相互的，緊密聯(lián)系著的，共同影響著細胞分化。,影響細胞分化的外在因素１、細胞相互作用誘導(dǎo)細胞分化（1）胚胎誘導(dǎo),胚胎誘導(dǎo) （embryonic in

21、duction）在胚胎發(fā)育過程中，一部分細胞對鄰近的另一部分細胞產(chǎn)生影響，并決定其分化方向的作用稱為胚胎誘導(dǎo)。,胚胎誘導(dǎo)是胚胎形成中有序分化的重要因素。能對其它細胞起誘導(dǎo)作用的細胞稱誘導(dǎo)者（inductor），接受誘導(dǎo)的組織或細胞稱為反應(yīng)者。,胚胎誘導(dǎo)分為三級：,初級誘導(dǎo)：如脊索中胚層誘導(dǎo)其表面的外胚層發(fā) 育神經(jīng)板；次級誘導(dǎo)：如神經(jīng)板卷成神經(jīng)管后，前端膨大成 原腦，其兩側(cè)突

22、出的視杯再誘導(dǎo)其上 方的外胚層形成晶狀體，為次級誘導(dǎo) 　　三級誘導(dǎo)：晶狀體再誘導(dǎo)其表面的外胚層形成角 膜，為三級誘導(dǎo)。,脊索中胚層,外胚層,,,神經(jīng)板,神經(jīng)管,前腦-視杯,外胚層,晶狀體,外胚層,角膜,,,,,,,２、激素對細胞分化的作用在胚胎發(fā)育晚期或胚后發(fā)育中。 遠距離細胞之間也有相互作用。如甲狀腺素可引起蝌蚪變態(tài)；性激素刺激第二性征的出現(xiàn)。激素: 多肽類：與膜受

23、體結(jié)合 第二信使調(diào)節(jié)基因活動 　 甾類： 與胞內(nèi)受體結(jié)合 調(diào)節(jié)基因活動,例. 昆蟲的保幼激素和脫皮激素，兩者保持一定的比例時，幼蟲脫皮而長大；當(dāng)保幼激素含量減少時，幼蟲化蛹，成蟲器官發(fā)育。成蟲期又開始合成保幼激素，促進性腺發(fā)育。,３、位置信息對細胞分化的作用４、環(huán)境因素影響細胞的分化細胞異常分化可引起細胞癌變細胞癌變是細胞去分化的結(jié)果:低分化和高增殖腫瘤細胞的分化特征　癌細胞是由正常細胞轉(zhuǎn)化

24、而來，表現(xiàn)為去分化或無序分化，分化程度與惡性程度成反比。腫瘤細胞可被誘導(dǎo)向正常細胞分化,細胞分化機制：autonomous mechanism：胚胎發(fā)育的早期細胞分裂由受精卵中的細胞質(zhì)控制，不涉及細胞通信。inductive mechanism：隨著胚胎發(fā)育的進行細胞之間主要通過信號系統(tǒng)協(xié)調(diào)分裂、分化和細胞的行為。細胞的分化命運主要取決于：細胞的內(nèi)部特性，外部環(huán)境。,卵細胞具有極性，細胞核靠近北極。卵細胞中貯存有大量mRNA，

25、是母源基因的產(chǎn)物，維持卵細胞和早期胚胎代謝；呈非均勻分布，決定胚胎發(fā)育的圖式（pattern）。合子基因在卵裂后期才發(fā)揮作用。,,一、細胞分裂的不對稱性,用放線菌素D處理海膽受精卵，胚胎發(fā)育能進行至囊胚期；嘌呤霉素處理，受精卵停止發(fā)育。卵裂后的細胞質(zhì)特性決定了子細胞的分化命運。,二、分化抑制,分化成熟的細胞可以產(chǎn)生“抑素”，抑制相鄰細胞發(fā)生同樣的分化。如含有成蛙心組織的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚，則蛙胚不能發(fā)育出正常的心臟?！耙炙亍?是TG

26、F-β家族的成員。如 myostatin是肌肉生長的負調(diào)控因子， GDF11（Wu等2003）通過上調(diào)細胞周期抑制因子p27抑制神經(jīng)組織生長。,Mouse myostatin mutant (right),Double-muscled mouse,Function of the myostain,The so called chalone is the protein belonging to TGF-β family, such as

27、 myostain,Belgian Blue bull——Double-muscled cattle,三、細胞數(shù)量效應(yīng),例1. 小鼠胚胎胰腺原基在體外培養(yǎng)，可發(fā)育成胰腺組織，如切成8小塊分別培養(yǎng)，則不能。再把分開的小塊合起來，又可形成胰腺組織。例2. Fisher（1967）將大量腫瘤細胞注射到小鼠肝臟門靜脈，小鼠很快死于腫瘤。只注射50個腫瘤細胞時，小鼠正常生存，手術(shù)檢查未發(fā)現(xiàn)任何腫瘤。術(shù)后關(guān)腹飼養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)小鼠很快死于肝腫瘤。,四、細

28、胞外基質(zhì)的影響,ECM能與細胞表面的整合素相互作用，激活粘著斑激酶（FAK），F(xiàn)AK可以通過接頭蛋白Grb2啟動Ras信號途徑，引起細胞增殖。干細胞在IV型膠原和層粘連蛋白上形成上皮細胞；在I型膠原和纖粘連蛋白上分化為成纖維細胞；在II型膠原及軟骨粘連蛋白上發(fā)育為軟骨細胞。,五、細胞核與細胞分化,染色體結(jié)構(gòu)的變化:1. 基因刪除：原生動物、節(jié)肢動物。2 . 基因擴增：多線染色體、爪蟾卵母細胞rDNA。3 . 基因重排：如Ig基因

29、(106~108種抗體)。4 . DNA甲基化與異染色質(zhì)化：基因失活。,成體中的細胞分化,①已存在的細胞功能由弱、強、減退到喪失。經(jīng)歷新生→成熟→衰老→死亡的過程，如表皮細胞。②已有的分化細胞通過分裂產(chǎn)生兩個功能相同的細胞，如血管內(nèi)皮細胞。③干細胞的分裂與分化，如多能造血干細胞。,再生,廣義來看再生是生命的普遍現(xiàn)象，從分子、細胞到組織器官都具有再生現(xiàn)象。1. 生理性再生：即細胞更新，如人的紅細胞。2.